Спектрополяриметрия волоконно-оптических элементов систем передачи и обработки информации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Дмитриев, Данила Александрович

• Дмитриев, Данила Александрович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриев, Данила Александрович

Содержание

Введение

Глава 1. Поляризованное оптическое излучение в многомодовых волоконных световодах

1.1. Волноводные характеристики оптических волокон

1.1.1. Основные характеристики многомодовых световодов

1.1.2. Дисперсия импульсов в оптических волноводах

1.1.3. Поляризация излучения в оптических волноводах

1.1.4. Энергия излучения в волоконном световоде

1.1.5. Потери излучения в изогнутом световоде

1.1.6. Взаимодействие мод в оптическом волокне

1.2. Возбуждение излучения в оптическом волокне

1.2.1. Воз буждение волновода ламбертовским источником излучения

1.2.2. Возбуждение оптического волокна когерентным источником излучения

1.3. Ь-Р моды в слабонаправляющих волокнах со ступенчатым профилем показателя преломления

1.4. Поляризационные свойства градиентных многомодовых волоконных световодов

Глава 2. Специализированные модели в описании поляризационных свойств волоконных световодов

2.1. Распределение поляризационных характеристик в спеклах поля излучения многомодовых световодов

2.2. Модовое описание поляризационных характеристик волоконных световодов

2.3. Вектор Стокса при описании преобразования оптического излучения в волоконных световодах

2.4. Деполяризация излучения многомодовыми волоконными световодами.

2.4.1. Деполяризация, обусловленная полным внутренним отражением света

2.4.2. Деполяризация,обусловленная двулучепреломлением в жиле световода

Глава 3. Частично-поляризованное излучение в волоконных световодах

3.1. Степень поляризации излучения и матричные методы ее описания

3.2. Деполяризация излучения в одномодовых волоконных световодах

3.3. Спектральные и тепловые зависимости степени поляризации излучения в многомодовых волоконных световодах (теоретическая модель)

3.3.1. Спектральные зависимости степени поляризации

3.3.2. Температурные зависимости степени поляризации. 84 3.4. Статистическая модель деполяризации излучения в многомодовом волокне

Глава 4. Экспериментальные исследования поляризационных характеристик многомодовых световодов в ИК-диапазоне спектра

4.1. Стенд для спектральных исследований поляризационных характеристик волоконных световодов

4.2. Спектральные характеристики деполяризации излучения в многомодовых световодах при некогерентном возбуждении

4.2.1. Общие положения

4.2.2. Зависимость степени поляризации от длины волны вводимого излучения

4.2.3. Зависимость степени поляризации от длины волокна

4.3. Деполяризация излучения в многомодовых световодах, возбужденных лазерным излучением

4.4. Влияние температуры на спектральные характеристики деполяризации излучения в многомодовых световодах

Глава 5. Спектрополяриметрия волоконных световодов и оптическое приборостроение

5.1. Передача информации по оптическим волокнам с использованием поляризационных характеристик оптического излучения

5.2. Прикладное значение спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов. 130 Заключение 134 Литература 136 Приложение 1. 146 Приложение 2. 147 Приложение 3. 151 Приложение 4. 156 Приложение 5. 157 Приложение 6. 158 Приложение 7. 159 Приложение 8. 160 Приложение 9.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектрополяриметрия волоконно-оптических элементов систем передачи и обработки информации»

Волоконно-оптические элементы, оптические кабели, оптоволоконные функциональные устройства и приборы уверенно вошли в арсенал технических средств передачи и обработки информации еще с середины 70-х годов, и до сих пор интерес разработчиков к этому важному направлению современной оптики и оптотехники не ослабевает [34, 88, 93]. Причинами продолжающегося прогрессивного развития волоконно-оптической техники являются обеспечиваемые ею высокие объемы и скорости передачи и обработки информации, многообразие приложений волоконной оптики в самых различных областях современного приборостроения [80] и высокая технико-экономическая эффективность волоконно-оптических систем и устройств [4, 43, 65]. Обзор научной литературы по тематике волоконной оптики за последние два десятилетия позволяет установить следующие характерные тенденции ее развития. В первые годы становления и интенсивного развития волоконно-оптической техники (1970-1980 г.) наибольшее внимание исследователей и разработчиков уделялось оптическим системам передачи информации [16, 28, 60, 69, 70]. Это стимулировалось освоением новых диапазонов оптической связи, созданием высококачественных оптических излучателей и фотоприемников и разработкой оптических кабелей со сверхнизкими потерями. В следующее десятилетие (конец 80-х - 90-е годы) заметно повысился интерес к созданию разнообразных волоконно-оптических элементов [38, 83, 95, 99, 110] и устройств обработки информации [11, 94, 97, 111], что можно объяснить все возрастающей тенденцией построения многофункциональных и высокоинформативных практических систем сбора и обработки сигналов [44, 55].

Необходимым условием создания высокоэффективной компонентной базы волоконно-оптических систем обработки и передачи информации является всестороннее знание и учет физико-технических характеристик волоконных световодов различных типов и структур [31, 76, 87, 106]. Среди них одной из важнейших является поляризационная характеристика волоконного световода [2, 94, 90], т.е. его свойство преобразовывать либо искажать поляризацию распространяющегося по световоду излучения. Вопросы разработки поляризационноустойчивых волоконных световодов активно дискутировались с начала 80-х годов, что привело, в частности, к созданию высококачественных одномодовых световодов с сохранением поляризации (ССП), находящих сегодня широкое применение в волоконно-оптических датчиках физических полей и перемещений [5, 12, 23, 54]. Вероятно, по этой причине (активное применение ССП в оптических датчиках [112, 113]) анализу поляризационных свойств многомодовых световодов, особенно в инфракрасной области спектра, уделялось незаслуженно мало внимания. До недавнего времени было известно менее трех десятков отечественных и зарубежных публикаций по данной теме [17 - 21, 25 - 27, 47 - 52, 72, 75, 76, 80 - 85, 87, 95, 96, 101 - 103, 107 - 110]. Среди них преобладали разрозненные, частного содержания теоретические работы, а экспериментальные исследования также носили узконаправленный, фрагментарный характер и выполнялись исключительно в видимой области спектра длин волн. Между тем именно в последние годы возрастает интерес разработчиков к практическому использованию многомодовых волоконных световодов в мало- и среднепротяженных высокоскоростных линиях передачи информации бортового и объектового типов, в приборах контроля качества оптических материалов и природных сред для решения задач экологии, в технологии оптических нейронных сетей для высокопроизводительных систем обработки информации и др. [4, 28, 43, 80]. Многомодовые оптические волокна, благодаря их низкой стоимости, эффективному сопряжению с оптическими излучателями и фотоприемниками, высокой пропускной способности при ограниченных (до десятков-сотен метров) длинах линий передачи, часто обладают преимуществами перед одномодовыми волокнами при решении целого ряда технических и технологических задач. С другой стороны, значительная масса современных оптоэлектронных приборов построена на использовании компактных и надежных полупроводниковых излучателей ИК-диапазона волн 0.80-1.55 мкм, при этом сведения по поляризационным характеристикам многомодовых волоконных световодов в данной области спектра в научной литературе практически отсутствовали.

В связи с отмеченным целью настоящей диссертационной работы явилось исследование поляризационных характеристик многомодовых волоконных световодов различных типов и размеров в широкой области ближнего ИК-диапазона волн, в интересах увеличения эффективности практического использования многомодовых световодов в высокопроизводительных оптических системах и приборах для передачи и обработки информации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи: создание оптико-электронного экспериментального стенда для спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов в ИК-диапазоне волн 0.80 ч- 1.55 мкм; разработка методик измерения деполяризующих свойств многомодовых волоконных световодов в ближней области ИК-спектра; проведение экспериментальных спектрополяриметрических исследований многомодовых волоконных световодов различных типов и размеров с использованием как когерентных так и тепловых источников света; исследование температурных воздействий на деполяризацию излучения в многомодовых световодах; разработка теоретических моделей, описывающих поляризационные характеристики многомодовых волоконных световодов, и сравнение их с экспериментом.

Диссертация содержит пять глав. Первая глава посвящена описанию распространения поляризованного оптического излучения в многомодовых волоконных световодах. Во второй главе рассматриваются различные специальные модели и подходы в описании поляризационных свойств оптических волокон. В третьей главе рассмотрены характеристики частично-поляризованного излучения в волоконных световодах и описаны предложенные в работе теоретические модели спектральных и тепловых зависимостей степени поляризации излучения в многомодовых волоконных световодах. Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям поляризационных характеристик многомодовых световодов в ИК-диапазоне спектра и их сравнению с теорией. В пятой главе кратко рассмотрены проблемы спектрополяриметрии волоконных световодов и ее прикладное значение. В Заключении изложены основные выводы по работе.

Результаты диссертационной работы докладывались на двух Международных конференциях "Информационная оптика. Научные основы и технология. 018Т'97" г.Москва, 27-30 августа 1997 и "Оптика в экологии", г. Санкт-Петербург, 27-29 мая 1997 г. , а также на "XXIX научно-технической конференции ППС СПГ ИТМО" 30.01.97.

По материалам диссертации опубликованы 5 научных трудов. Результаты диссертационной работы использовались при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в СПб ГИТМО, АО "Супертел", ЦНИИ Судовой электротехники и технологии, НИИ Конверсионных технологий, а также в учебном процессе СПб ГИТМО.

Объем диссертации: общее число страниц - 162, в том числе рисунков и таблиц на отдельных листах - 24, приложений - 16, библиографии - 10.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Дмитриев, Данила Александрович

7. Результаты работы позволяют формулировать практические рекомендации по выбору спектрального диапазона, температурных режимов эксплуатации и типов многомодовых оптических волокон для высокоскоростных линий передачи информации бортового и объектового типов, приборов контроля природных сред для задач экологии, технологии оптических нейронных сетей и для высокопроизводительных систем оптической обработки информации.

Выполненный в настоящей диссертационной работе объем теоретических и экспериментальных исследований раскрывает основные физические особенности деполяризации оптического излучения в многомодовых волоконных световодах как элементах оптических систем передачи и обработки информации, и будет способствовать более эффективному использованию таких световодов в различных областях современного оптического приборостроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных в настоящей работе исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Создан экспериментальный стенд для спектрополяриметрических исследований волоконных световодов в ближней ИК-области спектра 0.80 - 1.55 мкм.

2. Впервые получены экспериментальные данные по спектральным деполяризационным характеристикам многомодовых оптических волокон с диаметром сердцевины от 65 до 400 мкм и длиной от 164 до 10980 мм при распространении в них как теплового, так и когерентного (лазерного) излучения ИК-диапазона длин волн. Показано, что степень поляризации излучения на выходе многомодовых световодов увеличивается при возрастании длины волны излучения, при этом вследствие особенностей межмодового взаимодействия наблюдаемые спектральные зависимости могут носить немонотонный характер.

3. Установлено, что при когерентном возбуждении степень поляризации ИК -излучения на выходе многомодовых световодов, в длинноволновой области в среднем, в 1,5-2 раза выше, чем при возбуждении световода излучением от тепловых источников. Показано, что при длинах световода, близких к эффективной длине взаимодействия мод, как в тепловом, так и в лазерном свете наблюдается избыточная деполяризация выходного излучения, величина которой падает при дальнейшем увеличении длины световода.

4. Экспериментально впервые исследовано влияние температуры световода в диапазоне 0 - 100 °С на спектрополяризационные свойства многомодовых оптических волокон различной длины. Показано, что увеличение температуры световода вызывает уменьшение степени поляризации распространяющегося в нем излучения. Установлена незначительная, менее 10%, спектральная зависимость температурной деполяризации излучения в многомодовых световодах в рассматриваемой ближней ИК-области спектра.

5. Предложены теоретические модели спектральной деполяризации излучения в многомодовых волоконных световодах, основанные на анализе флуктуации числа волноводных мод, числовой апертуры и показателя преломления сердцевины оптического волокна, и учитывающие влияние температуры световода. На основе статистического метода анализа установлена связь интегральной степени поляризации излучения на выходе многомодового волокна с величиной дисперсии случайных углов ориентации векторов линейной поляризации в спеклах выходного излучения световода.

6. Показано хорошее соответствие полученных в работе экспериментальных результатов теоретическим расчетам, выполненным на основе предложенных моделей. Имеющиеся различия экспериментальных и теоретических зависимостей в отдельных участках ИК-спектра объясняются сложными процессами деполяризации излучения в многомодовых световодах, анализ которых должен явиться предметом дальнейших самостоятельных исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриев, Данила Александрович, 1999 год

1. Адаме М. Введение в теорию оптических волноводов. - М.: Мир, 1984 -с. 512.

2. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. М.: Мир, 1981-е. 584.

3. Александров А. Я., Ахмедзянов М. X. Поляризационно-оптические методы механики деформированного тела. М.: Наука, 1973 - с. 572.

4. Алексеев Е. Б. Концепция технической эксплуатации волоконно-оптических систем передачи // Электросвязь. № 1, с. 21 24 (1998).

5. Алексеев Э. И., Базаров Е. Н., Меш М. Я., Проклов В. В. Поляризационная модуляция излучения в одномодовом волоконном световоде // Письма в журнал технической физики. Т. 5, Вып. 14, с. 887 -889 (1979).

6. Арутюнян 3. Э., Грудинин А. Б., Гурьянов А. Н., Гусовский Д. Д., Дианов Е. М., Игнатьев С. В., Смирнов О. Б., Хрущев И. Ю. Поляризационные характеристики анизотропных одномодовых световодов // Квантовая электроника. Т. 17, Вып. 1, с. 84 86 (1990).

7. Арутюнян 3. Э., Грудинин А. Б., Гурьянов А.Н., Гусовский Д. Д., Дианов Е. М., Игнатьев С. В., Смирнов О. Б. Анизотропные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой и круглой сердцевиной // Квантовая электроника. Т. 17, Вып. 10, с. 1363 1368 (1990).

8. Беланов А. С., Дианов Е. М., Кривенков В. И. Волоконные световоды с устойчивой поляризацией излучения // Квантовая электроник. Т. 11, № 6, с. 1273 1275 (1984).

9. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1976.

10. Беловолов М. И., Крюков А. П., Кузнецов А. В. Элементы BOJIC и методы их исследования // Труды ИОФАН. Т. 5, с. 125 136 (1987).

11. Бисурин В. И., Носов Ю. Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990 - с. 256.

12. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, с. 856.

13. Бурдун Г. Д., Калашников Н. В., Стоцкий JI. Р. Международная система единиц. М.: Высшая школа, 1964, с. 274.

14. Бутусов М. М., Дремов С. С., Стригалев В. Е. Угловое уплотнение -новое направление волоконной оптики // Теоретическая и прикладная оптика. Тезисы докладов II Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов. Л., с. 353 - 354 (1986).

15. Быков А. М., Волков А. В., Воляр А. В., Кондаков М. Е., Кучикян Л. М., Меш М. Я., Шлиффер А. Л. Некоторые особенности поляризационных характеристик излучения многомодового световода // Оптика и спектроскопия. Т.61, Вып.1, с. 190 191 (1986).

16. Быков А. М., Воляр А. В., Ковура Ю. А., Кучикян Л. М., Петренко И. И. Оптическая активность многомодовых световодов при скрутке и в магнитном поле // Украинский физический журнал. Т. 26, № 10 с. 1605 -1609(1981).

17. Быков А. М., Воляр А. В. Поляризационная оптика многомодовых световодов // Оптика и спектроскопия. Т. 56, Вып. 5, с. 894 899 (1984).

18. Быков А. М., Воляр А. В., Кондаков М. Е., Кучикян Л. М. Явления преобразования поляризации света в многомодовых световодах // Оптика и спектроскопия. Т.53, Вып.З, с. 517 521 (1982).

19. Быков А. М., Воляр А. В., Кондаков М. Е., Кучикян Л. М. Обобщенная матрица Джонса для многомодовых световодов // Украинскийфизический журнал. № 26, Т. 1, с. 57 63 (1981).

20. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1961 -с. 532.

21. Васильев А. А., Касасент Д., Компанец И. Н., Парфенов А. В. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987 - с. 320.

22. Вейнберг В. Б., Саттаров Д. К. Индикатрисы рассеяния и деполяризации волоконных световодов // Оптико-механическая промышленность. Вып. 9, с. 26 -30(1961).

23. Воляр А. В., Лапаева С. Н., Модникова Э. А. Автополяризация света в маломодовом волокне // Письма в журнал технической физики. Т. 20, Вып.7, с. 6 9 (1994).

24. Воляр А. В., Кухтарев Н. В., Лапаева С. Н., Лейфер П. Н. Геометрическая фаза и восстановление поляризации света при ОВФ в многомодовом волокне // Письма в журнал технической физики. Т. 17, Вып. 13, с. 1-5(1991).

25. Воляр А. В., Жилайтис В. 3., Фадеева Т. А., Шведов В. Г. Топологическая фаза оптических вихрей в маломодовых волокнах // Письма в журнал технической физики. Т. 24, Вып. 8, с. 83 89 (1988).

26. Гальярди Р. М., Корп Ш. Оптическая связь. М.: Связь, 1978 - с. 424.

27. Грудинин А. Б., Сулимов В. Б. Когерентные и поляризационные свойства излучения в одномодовых волоконных световодах // Труды ИОФАН (Волоконная Оптика). Т. 5, с. 18 35 (1987).

28. Гуляев Ю.В., Меш М.Я., В.В.Проклов. Модуляционные эффекты в волоконных световодах и их применение. М.: Радио и связь, 1991 -с. 152.кварцевых волокон в ИК-днапазоне длин волн // Письма в журнал технической физики. Т. 24, Вып. 23, с. 75 80 (1998).

29. Дмитриев Д. А., Прокопенко В. Т. Спектрополяриметрия многомодовых волоконных световодов для оптических приборов зондирования природных сред // Оптический журнал. Т. 65, № 5, с. 106 107 (1998).

30. Дмитриев Д. А., Соловьев С. В. Поляризационные свойства оптических волокон: Обзор // Деп. в ВИНИТИ. № 3796 В98, 16 с. (1998).

31. Дмитриев Д. А., Прокопенко В. Т. Спектрополяриметрия многомодовых волоконных световодов для оптических приборов зондирования природных сред (доклад) // Программа международной конференции "Оптика в экологии", Санкт-Петербург 27-29 мая 1997 г., стр. 14.

32. Дмитриев Д. А., Прокопенко В. Т. Спектрополяриметрические исследования деформированных многомодовых волоконных световодов (доклад) // Программа XXIX Научно технической конференции ИТМО, Санкт-Петербург (1997), стр.16.

33. Егоров С. А., Мамаев А. Н., Полянцев А. С. Интерферометрический датчик с чувствительным элементом на основе двулучепреломляющего волокна и спектральной обработки сигнала // Письма в журнал технической физики. Т. 20, Вып. 24, с. 1 6 (1994).

34. Есаян А. А., Зельдович Б. Я. Деполяризация излучения в идеальном многомодовом градиентном световоде // Квантовая электроника. Т. 15, № 1, с. 235 236 (1988).

35. Зельдович Б. Я., Кундикова Н. Д. Внутриволоконный поворот плоскости поляризации // Квантовая электроника. № 25, Вып. 2, с. 184 186 (1995).

36. Зельдович Б. Я., Либерман В. С. Поворот плоскости меридионального луча в градиентом световоде за счет циркулярное™ поляризации //

37. Квантовая электроника, Т. 17, Вып. 4, с. 493 -494 (1990).3ельдович Б. я., ЛиберманВ. С.

38. Золотовский И. О., Семенцов Д. И. Преобразование лазерных импульсов в периодическом волоконном световоде // Оптика и спектроскопия. Т. 84, № 1, с. 110- 115 (1998).

39. Иванов В.И. Оптические системы передачи. М.: Радио и связь, 1994 -с.224.

40. Исихара С. Оптические компьютеры. М.: Наука, ГРФМЛ, 1992 - с. 96.

41. Кассандрова О. Н., Лебедев В. В. Обработка результатов наблюдений. -М.: Наука, 1970 104 с.

42. Клевицкая Б. Г., Коршунов И. П. Уточнение физической модели внешнего излучательного воздействия на параметры анизотропного световода // Радиотехника и электроника. Т. 43, № 1. с. 118 120 (1998).

43. Котов О. И., Марусов О. Л., Николаев В. М., Филиппов В. Н. Поляризационные характеристики волоконных световодов: модовый подход // Оптика и спектроскопия. Т. 70, Вып. 4, с. 924 927 (1991).

44. Кочаровский В. В., Кочаровский Вл. В., Миронов Ю. М., Зайцев В. Ю. Поляризация света и линейное взаимодействие винтовых мод в скрученных волокнах со случайными неоднородностями // Известия РАН, серия физика. Т. 62, № 2, с. 362 371 (1998).

45. Кучикян Л. М. Физическая оптика волоконных световодов М.: Энергия, 1979.

46. Кучикян Л. М., Воляр А. В. Деполяризация света цилиндрическими двухслойными волоконными световодами // Украинский физический журнал. Т. 22, № 10, с. 1658 1666 (1977).

47. Кучикян Л. М., Воляр А. В., Шевелевич Р. С. и др. Поляризация света в цилиндрических световодных волокнах // Журнал прикладной спектроскопии. Т. 19, № 5, с. 229 -230 (1973).

48. Латева Д. Н., Терзиева Д., Тошев Г. Метод определения диаметра модового пятна в оптическом волокне // Электротехника и электроника53